Z hľadiska chémie je propán nasýtený uhľovodík s typickými vlastnosťami alkánov. V niektorých oblastiach výroby sa však propán chápe ako zmes dvoch látok – propánu a butánu. Ďalej sa pokúsime zistiť, čo je propán a prečo sa mieša s butánom.
Štruktúra molekuly
Každá molekula propánu pozostáva z troch atómov uhlíka spojených jednoduchými jednoduchými väzbami a ôsmich atómov vodíka. Má molekulárny vzorec C3H8. C-C väzby v propáne sú kovalentné nepolárne, ale v C-H páre je uhlík o niečo viac elektronegatívny a mierne ťahá spoločný elektrónový pár k sebe, čo znamená, že väzba je kovalentná polárna. Molekula má cik-cak štruktúru v dôsledku skutočnosti, že atómy uhlíka sú v stave sp3-hybridizácie. Ale spravidla sa hovorí, že molekula je lineárna.
V molekule butánu sú štyri atómy uhlíka С4Н10 a má dva izoméry: n-bután (má lineárnu štruktúru) a izobután (mározvetvená štruktúra). Často sa pri prijatí neoddelia, ale existujú ako zmes.
Fyzikálne vlastnosti
Propán je bezfarebný plyn bez zápachu. Veľmi zle sa rozpúšťa vo vode, ale dobre sa rozpúšťa v chloroforme a dietyléteri. Topí sa pri tpl=-188 °С a vrie pri tkip=-42 °С. Stane sa výbušným, keď jeho koncentrácia vo vzduchu presiahne 2 %.
Fyzikálne vlastnosti propánu a butánu sú si veľmi blízke. Oba butány majú za normálnych podmienok aj plynné skupenstvo a sú bez zápachu. Prakticky nerozpustný vo vode, ale dobre interaguje s organickými rozpúšťadlami.
Nasledovné vlastnosti týchto uhľovodíkov sú tiež dôležité v priemysle:
- Hustota (pomer hmotnosti k objemu telesa). Hustota kvapalných zmesí propán-bután je do značnej miery určená zložením uhľovodíkov a teplotou. Keď teplota stúpa, dochádza k objemovej expanzii a hustota kvapaliny klesá. So zvyšujúcim sa tlakom sa objem kvapalného propánu a butánu stláča.
- Viskozita (schopnosť látok v plynnom alebo kvapalnom stave odolávať šmykovým silám). Je určená silami adhézie molekúl v látkach. Viskozita kvapalnej zmesi propánu s butánom závisí od teploty (s jej nárastom viskozita klesá), ale zmena tlaku má na túto charakteristiku malý vplyv. Plyny, na druhej strane, zvyšujú svoju viskozitu so zvyšujúcou sa teplotou.
Hľadanie v prírode a získavanie metód
Hlavnými prírodnými zdrojmi propánu sú ropa aplynové polia. Je obsiahnutý v zemnom plyne (od 0,1 do 11,0 %) a v súvisiacich ropných plynoch. Pomerne veľa butánu sa získava v procese destilácie oleja - jeho rozdeľovaním na frakcie na základe teploty varu jeho zložiek. Z chemických spôsobov rafinácie ropy má najväčší význam katalytické krakovanie, pri ktorom sa preruší reťazec vysokomolekulárnych alkánov. V tomto prípade propán tvorí asi 16-20% všetkých plynných produktov tohto procesu:
СΗ3-СΗ2-СΗ2-СΗ 2-СΗ2-СΗ2-СΗ2-СΗ 3 ―> СΗ3-СΗ2-СΗ3 + СН 2=CΗ-CΗ2-CΗ2-CΗ3
Pri hydrogenácii rôznych druhov uhlia a uhoľného dechtu vzniká veľké množstvo propánu, ktoré dosahuje 80 % objemu všetkých vyprodukovaných plynov.
Rozšírené je aj získavanie propánu Fischer-Tropschovou metódou, ktorá je založená na interakcii CO a H2 v prítomnosti rôznych katalyzátorov pri zvýšenej teplote a tlak:
nCO + (2n + 1)Η2 ―> C Η2n+2 + nΗ2O
3CO + 7Η2 ―> C3Η8 + 3Η 2O
Priemyselné objemy butánu sa izolujú aj počas spracovania ropy a plynu fyzikálnymi a chemickými metódami.
Chemické vlastnosti
Zo štruktúrnych vlastností molekúlzávisí od fyzikálnych a chemických vlastností propánu a butánu. Keďže ide o nasýtené zlúčeniny, nie sú pre ne charakteristické adičné reakcie.
1. substitučné reakcie. Pôsobením ultrafialového svetla je vodík ľahko nahradený atómami chlóru:
CH3-CH2-CH3 + Cl 2 ―> CH3-CH(Cl)-CH3 + HCl
Pri zahrievaní s roztokom kyseliny dusičnej je atóm H nahradený skupinou NO2:
СΗ3-СΗ2-СΗ3 + ΗNO 3 ―> СΗ3-СΗ (NO2)-СΗ3 + H2O
2. Reakcie štiepenia. Pri zahrievaní v prítomnosti niklu alebo paládia sa odštiepia dva atómy vodíka za vzniku násobnej väzby v molekule:
CΗ3-CΗ2-CΗ3 ―> CΗ 3-СΗ=СΗ2 + Η2
3. rozkladné reakcie. Keď sa látka zahreje na teplotu asi 1000 °C, dochádza k procesu pyrolýzy, ktorý je sprevádzaný porušením všetkých chemických väzieb prítomných v molekule:
C3H8 ―> 3C + 4H2
4. spaľovacie reakcie. Tieto uhľovodíky horia nedymiacim plameňom, pričom sa uvoľňuje veľké množstvo tepla. Aký propán je známy mnohým ženám v domácnosti, ktoré používajú plynové sporáky. Reakciou vzniká oxid uhličitý a vodná para:
C3N8 + 5O2―> 3CO 2 + 4H2O
Spaľovanie propánu v podmienkach nedostatku kyslíka vedie k vzniku sadzí a tvorbe molekúl oxidu uhoľnatého:
2C3H8 + 7O2―> 6SO + 8H 2O
C3H8 + 2O2―> 3C + 4H2O
Aplikácia
Propán sa aktívne používa ako palivo, keďže pri jeho spaľovaní sa uvoľňuje 2202 kJ/mol tepla, čo je veľmi vysoké číslo. V procese oxidácie sa z propánu získava veľa látok potrebných na chemickú syntézu, napríklad alkoholy, acetón, karboxylové kyseliny. Je potrebné získať nitropropány používané ako rozpúšťadlá.
Ako pohonná látka používaná v potravinárskom priemysle má kód E944. V zmesi s izobutánom sa používa ako moderné, ekologické chladivo.
Zmes propán-bután
Má mnoho výhod oproti iným palivám vrátane zemného plynu:
- vysoká účinnosť;
- jednoduchý návrat do plynného stavu;
- dobré odparovanie a spaľovanie pri teplote okolia.
Propán plne spĺňa tieto vlastnosti, ale butány sa o niečo horšie odparujú, keď teplota klesne na -40°C. Tento nedostatok pomáhajú napraviť aditíva, z ktorých najlepší je propán.
Propán-butánová zmes sa používa na vykurovanie a varenie, na plynové zváranie kovov a ich rezanie, ako palivo do vozidiel a pre chemickésyntéza.
